四层立体停车库（链条式）总体设计
第3章 立体车库结构设计
3.1 概述
3.1.1
结构设计的重要性
升降横移式立体停车库的结构设计在整个车库中非常重要，主框架部分、载车板部分和传动系统是升降横移式立体停车库的主要组成部分，主框架部分承担着整个升降横移式立体停车库的总量，它是传动设计和控制系统设计的平台，而且它的轻重、稳定性和可靠性以及载车板部分还影响着整个立体停车库的重量、材料和成本的多少以及安全性，传动系统的性能决定着升降横移式立体停车库运行的好坏,所以如何设计主框架部分成为影响整个立体停车库的关键因素。 3.1.2
机构体系选择
通过对我国多内现有停车场停车现状的分析和国内立体车库使用情况的调研，综合各种车库的原理和使用情况，同时考虑到研发成本及维修，我们选择升降横移式立体车库作为企业进行立体车库研发的市场切入点。升降横移式立体车库由于造价成本较低、配置灵活、拆卸也比较方便，可以最大程度降低风险系数，取得成功，而且，目前我国多数小区采用的也是多层升降横移式立体停车设备，大规模的仓储式机械停车库还很少，因此选择升降横移式立体车库，易于进行后期商推广，可行性很高。下面我们就对升降横移式立体车库的系统结构和方案原理进行分析。
按照设计要求，选择四层七列式立体车库功25个车位（有三个车位空出，以便进行升降和横移运动），可以从底层的四个车位入库。升降横移式立体车库可以根据场地和空间的大小设计车库的整体规模，四层七列式立体车库具有一定的代表型。该类型立体车库具有底层、中间层和上层三种载车板和横移架，能实现升降横一类立体车库的所有运动方式；另一方面，每层设置四个车位，车辆入库的方式变得更加复杂，可以实现多种的入库到位，因此有利于对汽车的入库和出库进行控制化，提高立体车库存取车的效率，减少等待时间。该车库结构类型具有典型性，对于后期进行大型车库的设计和制造具有很好的扩展性，因此具有很好的借鉴意义。
下面我们以四层七列式立体车库为模型建立研究对象。升降横移式立体车库主要有钢结构部分、载车板部分、传动系统、控制系统、安全防护系统五大部分组成。下面我们重点对车库的主要组成进行分析，并对该产品的机械结构进行选型。
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四层立体停车库（链条式）总体设计
3.1.3
结构尺寸确定
由于车库容许的车辆为小型、中型和大型小轿车，因此车辆的最大尺寸为长×宽×高为5600mm×2050mm×1650mm，考虑到车库存取车方便性和安全性，同时根据中华人民共和国机械行业标准《升降横移类机械式停车设备》，我们选择一个车位的规格为6200mm×2600mm×1800mm，总规格为L×W×H为6200×18200×7900mm。其中为给第一层留足够空间取高为2500mm。 3.1.4
立体车库受力情况分析
在车库钢结构设计中，包括轴心受力构件、梁、拉弯和压弯构件的设计。进行轴心受力杆件设计时，轴心受拉构件应满足强度和刚度要求，轴心受压构件除应满足强度、刚度要求外，还应满足整体稳定和局部稳定要求。
在梁的设计中，梁的刚度和强度对截面设计起控制作用，因此应先进行这二者的计算。由于车库系统对于系统的安全要求特别高，所以还应对其整体稳定进行计算，此外，梁的接点处均应采取构造措施，以防止其端截面发生扭转。在进行梁的截面设计时，考虑强度，腹板宜既高又薄：考虑整体稳定，翼缘宜既宽又薄，所以在荷载作用下，受压翼缘与腹板有可能发生波形屈曲，即梁发生局部失稳。发生局部失稳后，梁的部分区域推出工作，将使梁的有效面积减小，强度承载力和整体稳定性降低，这时可以采取增大板厚度或设置加强肋等措施。
对于压弯件，需要进行强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性的计算；对于拉弯构件，一般只需要进行强度和刚度计算。
在对立体车库钢结构骨架的分析中，我们先从单根梁的受力进行分析，适当简化力学模型，在正确分析各梁的约束和受力的基础上，先对各梁和立柱的刚度和强度进行分析，找出系统薄弱处所在，然后再整体分析之中给予特变关注。
立体车库钢结构骨架由立柱、横梁、纵梁和支承动力及附属装置的上、下支承梁等组成，其立柱通过螺栓与基础相连，其余钢梁靠焊接或者螺栓相互连接。立柱主要承受压力和其他因素造成的扭矩，即压应力和部分剪应力：前后两个面地纵梁主要承受拉伸和弯矩造成的拉应力和弯曲应力；侧面的横梁承受较小的拉应力和剪应力。为了减小振动和提高稳定性，各部分必须保证足够的强度和刚度。
机械传动系统安装在钢结构骨架上，由传动部件和张紧装置组成。停车托架与传动链条相连，驱动装置和机械传动系统驱动托架循环运行，实现车辆的存取和停放。
设计时采用Q235碳素钢，其屈服极限为235MPa，抗拉强度为375-500MPa。整体车库钢结构许用位移为10mm。
本车库所限车位为小型、中型和大型小轿车，最大容车重为2200kg，载车板重约450kg，所以每个车位最大重量为2200+450=2650kg。
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由于停车的随机性，载荷作用也就不同。按载荷作用的基本情况，在进行立体车库钢结构骨架分析考虑空载、对称载荷、非对称载荷和最大偏载四种工况：
3.2 立体车库钢结构分析设计与校核
3.2.1
导轨支撑梁的设计与校核
一、材料和截面形式确定
在立体车库设计中，梁的主要作用是保持整个结构的稳定性和承担所停车辆与其它构件自重对梁产生的弯矩和剪力。梁的截面可分为实腹式和格构式两大类。型钢有分为热轧钢和冷轧钢，热轧钢通常用得为普通工字钢、H型钢或槽钢，对于承受载荷较小和跨度不大的梁可选用带有卷边的冷成型薄壁槽钢。
纵梁材料选取H型钢，材料为Q235碳素钢。 二、导轨支撑梁的计算 1 载荷及内力计算
由于前后导轨支撑梁承受作用力相同，故我们重点分析右端跨度较大前导轨支撑梁，如果前梁在允许范围内，则后梁也必然符合设计要求。如图3.1所示，简支梁AB受力如图。
图3.1 纵梁受力与弯矩简图
已知A、B两点为全约束，lAB=7.8m，E=210GPa。
由于力是通过导轨作用在支撑梁上的，可视为均布载荷。考虑到一个车位空出，两个车位满载，托架、电动机等重量后：
m单=m车?k=2200×1.4=3080kg G=m?g=3080×10=3.08×104N
由于车辆在上升和下降的时候速度比较小，所以在梁的载荷计算式，只作恒载计算，不考虑动载的影响，取恒载分项系数γG=1.2。则
P=γG?G=1.2×3.08×104=3.7×104N
均布载荷
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1 2×3P1 2×3×3.7×104q===7115N m
lAB7.8梁所承受的弯矩为：
ql2
6ωRε?1 Mx=12因此纵梁所承受的最大弯矩为：
Mmax
2 初选截面
由于纵梁选用热轧H型钢，梁所需的净截面模量为：
Wnx
Mmax5.41×107===2.396×105mm3 γx?f1.05×215qlAB27115×7.82===5.41×104N?m
88式中：γx——属性发展系数，H型钢γx=1.05；
f——钢材的强度设计值，N mm2。
查《钢结构设计手册》，选用H型钢型号为HM200×150，其截面特性为： Ix=2740cm4，Wx=283cm3，ix=8.3cm，A=39.76cm2，ρ=31.2kg m
H×B×t1×t2=194×150×6×9
3 截面验算： ⑴强度验算：
单位长度梁的自重标准值
qk=kρg=1.2×31.2×10=374.4N m
其中1.2为考虑焊缝、螺栓等附加构件的重量后梁的自重增加系数。 单位长度梁的自重设计值
ql=qk?γG=374.4×1.2=449.3N m
梁自重引起的跨中最大弯矩为：
11
M‘max=qllAB2=×449.3×7.82=3417N m
88因此，梁跨中总的最大弯矩为：
M总max=Mmax+M‘max=54.1+3.4=57.5kN m
最大应力为：
?max
Mmax57.5×106
===193.5N mm2
因此满足条件。
⑵刚度验算：
载荷产生的跨中最大挠度（考虑梁的自重）：
5qlAB457564.3×10?3× 7.8×103 f=?=×=63.3mm
384EIx3842.10×105×2.74×107两跨中最大容许挠度为：
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4
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lAB7.8×103
f ===15.6mm
500500
显然，梁的刚度不满足条件。
为了保证梁的刚度满足条件，在梁的中间增加斜支撑，此时取梁的跨中自由度为原来的一半，即lAB′=1 2lAB，在进行刚度验算。a′
5qlAB′57564.3×10?3× 7.8×103/2
f=?=×=3.96mm
384EIx3842.10×105×2.74×107满足条件。 3.2.2
立柱的设计与校核
4
4
一、材料和截面形式确定
选择材料的基本原则是既保证安全可靠，又几经合理。钢材的质量等级愈高，及价格也愈高。因此根据结构的不同特点，；来选择适宜的钢材。
本设计中，柱直接承受的动载荷较小，工作温度为常温，柱与其它构件之间的连接是通过焊接和螺栓连接的。因此对钢材的要求不是很高，选择Q235钢可满足条件。
柱的截面形式要根据柱的受力大小和特点而确定。柱承受的主要载荷是轴心压力，还有少量的弯矩载荷，因此对柱的截面形式选择可按照轴心受力构件的截面形式进行选择。轴心受力构件的截面形式主要有以下四种：①热轧型钢截面；②冷弯薄壁型钢截面；③实腹式组合截面；④格构式组合截面。从不同构件截面的承载力、整体刚度的稳定性、制造的简便性和便于与其它构件的连接等方面综合考虑，选择柱的截面形式为H型截面。
二、柱的计算
立柱为等截面立柱，受压静力。由于梁的跨度不同，导致立柱受力不同，因此此处选择受力最大的立柱进行计算，如果其满足条件，则其它立柱也刚度、稳定性要求。
1 载荷计算：已知单位长度梁的自重设计值ql=0.449kN/m；ll为一个车位的宽；有一列不停车。
第一根柱P1=
2P4
1
+llql=2×37+2.6×0.449=19.667kN
2P4
第二根柱P2=2×
+2.5llql=37+2.5×2.6×0.449=39.92kN
显然另一侧受力对称，受力最大的是第二根与第三根立柱，其承受的压力设计值为：
N=3Pmax=3P3=3×39.92=119.76kN
考虑到屋架结构和其它构件的重量，还有风载、雪载、地震等不确定载荷的影响，为了保证设计的安全性，取柱的压力设计值为N′=180kN。
2 初选截面
已知立柱长度l=7.7m，柱的受力简图如下图所示。
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